Elektrické komponenty motoru. Školení H-STEP 3 Školení H-STEP 2 Školení H-STEP 1

Transkript

1 Elektrické komponenty motoru Školení H-STEP 3 Školení H-STEP 2 Školení H-STEP 1

2 Elektrické komponenty motoru H-STEP 1 Rejstřík Předmět Strana Motor startéru 3 Metoda připojení elektromotoru 5 Řešení problémů 7 Energetická bilance 8 Akumulátor 9 Cyklus dobíjení 11 Stejnosměrný alternátor 13 Střídavý alternátor 14 Servis a řešení problémů 15 Rev: EEEE-1ET8H

3 Motor startéru solenoid motor startéru Schéma motoru startéru a elektrické spojení Systém startování přeměňuje elektrickou energii z akumulátoru na mechanickou energii, která otáčí motorem a umožňuje jeho nastartování. K této přeměně dochází v motoru startéru. Startovací otáčky motoru jsou přibližně 60 až 100 ot./min u vznětových motorů a 80 až 200 ot./min u zážehových motorů. Motor startéru se otáčí mnohem rychleji za účelem zajištění dobrého startovacího účinku. Systém startování se skládá z pěti hlavních součástí: spínač zapalování nebo startovací tlačítko, bezpečnostní spínač(e), pokud jsou ve výbavě, elektromagnet startéru, motor startéru a akumulátor. Při otočení klíče do polohy pro startování nebo stisknutí startovacího tlačítka protéká proud z akumulátoru elektromagnetem startéru a poté motorem startéru. Pokud je vozidlo vybaveno bezpečnostním spínačem neutrálu nebo spojkovým spínačem, musí být zařazen neutrál, aby proud mohl protékat k elektromagnetu. Elektromagnet je vlastně elektromagnetický spínač instalovaný na motoru startéru. Když je napájena cívka elektromagnetu, čep je vtažen zpět. Na jednom konci čepu je páčka, která je spojena s hnacím pastorkem a spojkou motoru startéru. Při zatažení za páčku zapadne hnací pastorek do ozubení setrvačníku. Protože je napájen i motor startéru, je vytvářen točivý moment, díky kterému se otáčí setrvačník, čímž se motor startuje. Motor startéru je malý, ale výkonný elektromotor, který je schopen dodávat vysoký výkon po krátkou dobu. Jakmile řidič uvolní spínač zapalování z polohy pro startování do polohy pro jízdu, elektromagnet startéru se deaktivuje a vnitřní vratná pružina způsobí uvolnění hnacího pastorku z ozubení setrvačníku. Zároveň se také zastaví motor startéru. Zatímco výše uvedený popis platí pro typ s vysouvacím pastorkem (nejběžnější v osobních vozidlech), existují i jiné typy motorů startérů: typ Bendix a typ s výsuvnou kotvou. Obecná funkce je podobná té výše popsané. Rev: EEEE-1ET8H

4 vtahovací poloha přidržená poloha startér s planetovým soukolím rozdíly v běhu Pokud se lépe podíváme na elektromagnet startéru, můžeme vidět, že pro aktivaci elektromagnetu jsou použity dva obvody. Tyto obvody jsou obvod vtahovací cívky a obvod přídržné cívky. Za účelem vyvinutí dostatečné síly pro zasunutí pastorku do ozubení setrvačníku se napájí obě cívky. Dokud pastorek dokonale nezapadne do ozubení, motor startéru se otáčí pomalu v důsledku poklesu napětí z důvodu připojení přes cívky. Jakmile pastorek dokonale zapadne do ozubení, čep zároveň sepne kontakt. Tím dojde k odpojení napájení vtahovací cívky a pastorek udržuje na svém místě pouze přídržná cívka. Zároveň je motor startéru napájen přímo a již ne přes cívky, takže se otáčí rychleji, aby bylo možné nastartovat motor. Některé motory startérů obsahují planetové soukolí za účelem zvýšení svého točivého momentu. Jelikož jsou otáčky motoru po nastartování mnohem vyšší než otáčky pastorku, je instalován ochranný systém, který brání poškození motoru startéru. Jde obvykle o jednosměrnou spojku (volnoběžku), která brání motoru v pohonu motoru startéru, když dovoluje pastorku se volně otáčet v opačném směru. To je nejběžnější řešení. Dalším systémem je lamelová spojka: Když startér pohání motor, lamely jsou na sebe přitlačené, takže je možné přenášet točivý moment na setrvačník. Jakmile se motor nastartuje, lamelová spojka se uvolní, takže nedojde k poškození motoru startéru. Rev: EEEE-1ET8H

5 Metoda připojení elektromotoru cizí vnější buzení derivační motor sériový motor kombinovaný motor Existují různé způsoby připojení elektromotoru k napájení. Různé metody připojení vedou k různým charakteristikám. Stejnosměrný motor s cizím buzením. Tento typ stejnosměrného motoru je navržen tak, že budicí vinutí není spojeno s vinutím rotoru. Tento typ stejnosměrného motoru se využívá zřídka. Stejnosměrný motor s paralelním buzením Tomuto motoru se říká paralelní, protože buzení je připojeno paralelně k vinutí rotoru. Použití stejnosměrného elektromotoru s paralelním buzením: Pro stejnosměrný motor s paralelním buzením je typická velmi dobrá regulace otáček a je považován za motor s konstantními otáčkami, i když se otáčky mírně sníží při zvýšení zátěže. Motory s paralelním buzením se používají v průmyslu a automobilech, kde je potřebné přesné řízení otáček a točivého momentu. U motoru s paralelním buzením klesá točivý moment se zvyšujícími se otáčkami. Pokles točivého momentu v závislosti na otáčkách je způsoben poklesem napětí zásluhou odporu vinutí rotoru a reakcí vinutí rotoru. Při hodnotě otáček 2,5krát vyšší, než jsou jmenovité otáčky, je reakce vinutí rotoru nadměrná, což má za následek pokles buzení a prudké snížení točivého momentu, dokud se motor nezastaví. Rev: EEEE-1ET8H

6 cizí vnější buzení derivační motor sériový motor kombinovaný motor Stejnosměrný motor se sériovým buzením Vinutí buzení je u tohoto motoru zapojeno do série s vinutím rotoru. Výhodou motoru se sériovým buzením je velký točivý moment a provoz v nízkých otáčkách. Je to motor, který je velmi vhodný pro velké zátěže; často se používá u průmyslových jeřábů a navijáků, kde je potřeba velkou zátěží pohybovat pomalu a lehkou rychle. Protože vinutí buzení a rotoru je zapojeno v sérii, proudy procházející vinutím buzení a rotoru jsou stejné. Se zvyšujícími se otáčkami se točivý moment motoru se sériovým buzením prudce zvyšuje. Jakmile je motor se sériovým buzením zbaven zátěže, otáčky se začnou prudce zvyšovat. Z těchto důvodů musí být motory se sériovým buzením vždy zatížené, aby se předešlo poškození v důsledku vysokých otáček. Stejnosměrný motor se smíšeným buzením Stejnosměrný motor se smíšeným buzením má paralelní i sériové buzení. Toto specifické zapojení představuje stejnosměrný motor se smíšeným buzením, protože paralelní a sériové buzení si navzájem pomáhá. Rev: EEEE-1ET8H

7 Řešení problémů test zasunutí test přidržení test návratu pastorku test funkce bez zátěžě Kromě kontroly spínače zapalování, relé startéru, bezpečnostních spínačů a kabeláže patří mezi důležité testy také test zasunutí, přidržení, test funkce bez zátěže a test návratu pastorku. Podrobné informace o řešení problémů v systému startování viz dílenská příručka k příslušnému vozidlu. Rev: EEEE-1ET8H

8 Energetická vyváženost a systém dobíjení Nepříznivá situace nízká rychlost alternátoru alternátor akumulátor el. spotřebiče Příznivá situace - střední/vysoká rychlost alternátoru alternátor akumulátor systém dobíjení el. spotřebiče spotřebiče Systém dobíjení je důležitou součástí elektrického systému. Zajišťuje elektrickou energii pro osvětlení, rádio, vyhřívání, elektrické systémy motoru a jiné elektrické příslušenství. Také udržuje akumulátor v nabitém stavu, když jej v případě potřeby dobíjí. Poskytuje potřebnou energii pro nastartování motoru. Systém dobíjení se skládá ze tří hlavních součástí: alternátor, regulátor napětí a akumulátor. Důležité jsou velikost a výkonnost akumulátoru a alternátoru ve vztahu k příslušnému vozidlu, aby byla zajištěna kladná energetická bilance i v náročných provozních podmínkách. Alternátor generuje elektrickou energii pro napájení příslušenství a dobíjení akumulátorů. Normálně je poháněný řemenem prostřednictvím klikového hřídele. Mechanická energie z klikového hřídele je přeměněna alternátorem na elektrickou energii pro dobíjení akumulátoru a napájení všech elektrických systémů. Akumulátor uchovává energii pro napájení v případě, že motor neběží, poskytuje dostatečný výkon pro nastartování motoru a slouží jako zásobník, když je třeba vyšší příkon než je výkon alternátoru. Rev: EEEE-1ET8H

9 Konstrukce akumulátoru 6 voltů 24 voltů sériové zapojení paralelní zapojení Akumulátor úložiště elektřiny, které je schopné přeměnit elektřinu na chemickou energii během dobíjení a přeměnit chemickou energii zpět na elektřinu při připojení spotřebiče. Jeho hlavní funkce jsou: dodávat potřebný výkon motoru startéru a systému řízení motoru / systému zapalování, aby bylo možné nastartovat motor, napájet spotřebiče, například obrysová světla, audiosystém atd., když motor neběží, fungovat jako zásobník, když dobíjecí proud není dostatečný při maximálním odběru. Ve vozidlech se obecně používá olověný akumulátor. Na obrázku je typické uspořádání 12V akumulátoru, který se skládá z 6 napěťových článků. Každý článek může poskytovat/akumulovat pouze napětí 2,1 V (jmenovitá hodnota). V akumulátoru je použito 6 takových článků. Každý článek se opět skládá z několika částí. Tyto hlavní části jsou: kladná deska (anoda) vyrobená z oxidu olovičitého, separátor, který má porézní strukturu, aby jím mohla procházet kyselina, záporná deska (katoda) vyrobená z čistého olova a elektrolyt přenášející elektřinu. Desky jsou obklopeny elektrolytem, kyselinou sírovou. Během dobíjení nebo vybíjení přenáší elektrolyt ionty mezi kladnými a zápornými deskami, čímž umožňuje průtok proudu. Rev: EEEE-1ET8H

10 6 voltů 24 voltů sériové zapojení paralelní zapojení Jsou zde instalovány také další doplňkové díly, například zátky, konektory článků atd. V zátkách jsou větrací otvory, které umožňují unikání plynu, který vzniká při dobíjení, ale zároveň brání úniku kyseliny spolu s plyny. V případě potřeby je možné po odstranění zátky doplnit destilovanou vodu za účelem zachování hladiny elektrolytu na požadované úrovni. Kapacita akumulátoru se vyjadřuje v ampérhodinách. Pokud je akumulátor schopen dodávat proud o velikosti jednoho ampéru (1 A) po dobu jedné hodiny, má kapacitu 1 Ah. Pokud je schopen dodávat 1 A po dobu 100 hodin, má kapacitu 100 Ah. Z důvodu jednotného základu pro stanovení kapacity akumulátoru se tyto hodnoty měří za specifických podmínek. Z důvodu chemických reakcí v článcích závisí skutečná dostupná kapacita akumulátoru na podmínkách vybíjení, například průběhu proudu, době vybíjení, povolené hodnotě napětí na svorkách akumulátoru, teplotě a dalších faktorech. Výrobci akumulátorů používají standardní metodu stanovování kapacity svých akumulátorů. Akumulátor je vybíjen konstantním proudem po pevně stanovenou dobu, například 10 nebo 20 hodin, na dané napětí na kontaktech článků. Takže 100ampérhodinový akumulátor je schopen dodávat 5 A po dobu 20 hodin při pokojové teplotě. Efektivita akumulátoru je různá při různých vybíjecích proudech. Při malém zatížení je energie z akumulátoru dodávána efektivněji než při vysokém zatížení. Pokud jsou dva akumulátory zapojeny v sérii, výsledné napětí je dáno součtem napětí obou akumulátorů. Aby bylo k dispozici napětí 24 V, jsou dva akumulátory spojeny do série. Ale pokud jsou spojeny paralelně, je napětí stejné jako u samostatného akumulátoru, ale kapacita je vyšší. Rev: EEEE-1ET8H

11 Cyklus dobíjení Dobíjecí agregáty nabití vybíjení napětí napětí cílové napětí vybití nabíjení V plně nabitém stavu je hustota kyseliny 1,28 g/cm 3 (v tropických oblastech může být hustota kyseliny pouze 1,23 g/cm 3 ). Startovací výkonnost a kapacita jsou nižší, pokud je akumulátor vystaven nízké teplotě, protože chemické procesy jsou za těchto podmínek pomalejší. Nezatížený a plně nabitý článek akumulátoru může dosáhnou přibližně napětí 2,2 V, zatímco při napětí 1,75 V je článek považovaný za vybitý. Hustota ve vybitém stavu je pouze 1,16 g/cm 3. V nabitém stavu kladné desky tvoří oxid olovičitý (PbO 2 ), záporné desky čisté olovo (Pb) a elektrolyt je kyselina sírová (H 2 SO 4 ) ředěná destilovanou vodou. Jakmile je akumulátor elektricky zatížen, dojde k chemické reakci. Ionty síranu v elektrolytu se uvolní a naváží se na záporné a kladné desky. Zároveň se atomy kyslíku uvolní z kladných desek z oxidu olovičitého do roztoku elektrolytu, kde se spojí s atomy vodíku a vytvoří vodu (H 2 O). Pohybem iontů síranu směrem k deskám a atomů kyslíku do roztoku se uvolní energie, která se používá pro napájení spotřebiče. Zásluhou těchto reakcí se sníží hustota kyseliny, což je možné použít jako indikaci stavu nabití akumulátoru. Když je akumulátor úplně vybitý, obě desky tvoří síran olovnatý (PbSO 4 ) a roztok je voda (proto může vybitý akumulátor zamrznout). Když je akumulátor nabitý, proces je opačný a desky z PbSO 4 se přemění zpět na PbO 2 a Pb a voda se změní zpět na PbSO 4. Rev: EEEE-1ET8H

12 Dobíjecí agregáty nabití vybíjení napětí napětí cílové napětí vybití nabíjení Stavy úplného nabití a úplného vybití jsou extrémy. Normálně je akumulátor částečně nabitý nebo částečně vybitý. Například akumulátor může být z 25 % vybitý, což znamená, že chemická reakce proběhla z 25 % a ze 75 % je akumulátor v původním chemickém složení. Když je akumulátor již zcela nabitý, ale je dále dobíjen, uvolňuje vodík (výbušný plyn!), protože voda v elektrolytu se chemicky rozkládá. Tomu se říká přebíjení. Také při startování jiného vozidla s pomocným akumulátorem může vysoký proud způsobit rychlé uvolňování velkého množství vodíku. Pokud je zažehnutý jiskrou (například při odpojování pomocných kabelů), dojde k výbuchu. Olověné akumulátory pro použití v automobilech nejsou určeny pro hluboké vybití a měly by být vždy maximálně nabité, protože jejich kapacita se při hlubokém vybití výrazně zhorší v důsledku sulfatace nebo vytvrzování síranu olovnatého. Je třeba se mít také na pozoru, protože kyselina sírová je velmi žíravá. V moderních akumulátorech je elektrolyt ve formě gelu. Věnujte pozornost výběru správné nabíječky, aby nedošlo k poškození akumulátoru, zejména v případě gelových akumulátorů. Protože se v akumulátoru může během dobíjení vyvíjet výbušný plyn, nepřibližujte se do blízkosti akumulátoru se zdroji jiskření nebo otevřeným ohněm a dodržujte bezpečnostní pokyny uvedené v dílenské příručce. Rev: EEEE-1ET8H

13 Stejnosměrný alternátor (obecně) stejnosměrný alternátor stejnosměrné zapojení regulace napětí Dříve se v automobilech používal takzvaný stejnosměrný alternátor. K usměrnění proudu docházelo mechanicky prostřednictvím speciálního uspořádání napájecích pólu. Toto uspořádání ve spojení s kartáči se nazývá komutátor. Když se změní směr proudu v důsledku změny polarity magnetického pole, změní se také poloha komutátoru (minus a plus pól), takže v konečném důsledku je akumulátor napájen stejnosměrným proudem. Dnes se již stejnosměrné alternátory nepoužívají, ale namísto toho se používají střídavé alternátory. Hlavní důvody jsou jejich vyšší odolnost a výkon. Dříve se pro řízení výkonu alternátoru používal mechanický regulátor napětí, aby se předešlo přebití akumulátoru. Ten detekuje potřebu dobití akumulátoru nebo zvýšení spotřeby vozidla a příslušným způsobem upraví výkon alternátoru. Regulátor napětí řídí sílu magnetického pole budicí cívky, čímž řídí výkon alternátoru. To se děje přímým napájením cívky za účelem dosažení vysoké výkonnosti, napájením přes rezistor nebo dokonce úplným odpojením napájení buzení. Protože se tato technologie ve vozidlech již mnoho let nepoužívá, nebudeme dál podrobněji tento systém rozebírat, ale podíváme se blíže na střídavý alternátor, který se používá v současnosti. Rev: EEEE-1ET8H

14 Střídavý alternátor rotor stator usměrňovač stejnosměrný proud střídavý proud Obvod cívka statoru sběrací kroužek Schéma alternátoru a funkční schéma Moderní automobilový alternátor je trojfázový generátor s vestavěným usměrňovačem, který se skládá ze šesti diod (podrobněji se s ním seznámíme v úrovni 2). Řemenici pohání řemen spojený s klikovým hřídelem motoru, čímž se otáčí magnet okolo nehybné sady tří vinutí (statoru), která jsou obvykle spojena do Y. Otáčející magnet je ve skutečnosti elektromagnet, ne permanentní magnet. Alternátory jsou navrženy tak, že sílu magnetického pole je možné regulovat za účelem řízení výstupního napětí nezávisle na otáčkách rotoru. Tato magnetická cívka rotoru (budicí cívka) je napájena z akumulátoru, takže alternátor odebírá malé množství elektrické energie za účelem generování vysokého výkonu. Elektrická energie je přiváděna na rotující budicí cívku prostřednictvím páru měděných sběrných kroužků, které jsou instalovány soustředně na hřídeli, přes stacionární uhlíkové kartáče. Kartáče jsou udržovány v kontaktu se sběrnými kroužky pomocí pružin. Mnoho moderních alternátorů je vybaveno vestavěným regulačním obvodem, který automaticky zapíná a vypíná napájení cívky rotoru za akumulátoru za účelem regulace výstupního napětí. Některé alternátory jsou vybaveny volnoběžnou řemenicí, aby se předešlo negativnímu vlivu na řemen. To je způsobeno tím, že motor se netočí konstantní rychlostí, ale dochází k výkyvům otáček v důsledku spalování. Rev: EEEE-1ET8H

15 Servis a řešení problémů kontrola akumulátoru zkontrolujte alternátor vysoká hladina správně vyměnit špatně nízká hladina zkontrolujte pojistky/kabely kontrola zapnutí řemene tavná spojka zkontrolujte kontrolky Protože již drobné problémy v systému dobíjení mohou vést k poruše vozidla, je důležité kontrolovat stav systému pravidelně. Důležité body, které je potřebné kontrolovat/nastavit, jsou hladina kapaliny, hustota kyseliny (není možné u všech typů akumulátorů) a napnutí hnacího řemene. Také může být nutné zkontrolovat výstupní napětí v případě problémů se systémem. Poznámka: Princip funkce usměrňovače napětí atd. je popsán v dokumentu Elektřina, úroveň 2, stejně jako metody kontroly těchto položek. Rev: EEEE-1ET8H